電流センサ
【課題】電流測定時においても磁界検出感度を適切に管理可能な電流センサを提供すること。
【解決手段】電流線（２）を通流する被測定電流（Ｉ）からの誘導磁界（Ｈｉ）を検出する磁気抵抗効果素子（１１ａ〜１１ｄ）を備えた磁気センサ（１１）と、磁気抵抗効果素子（１１ａ〜１１ｄ）に対しその感度方向（Ｓａ〜Ｓｄ）に直交する向きの磁界（Ｈｃ）を印加する磁界印加部（１２）と、磁気センサ（１１）の出力からその補正値を算出する演算部と、を備え、演算部は、磁界印加部（１２）により印加する磁界が異なる少なくとも２つの状態において得られる磁気センサ（１１）の出力から、補正値を算出可能に構成されている。
【解決手段】電流線（２）を通流する被測定電流（Ｉ）からの誘導磁界（Ｈｉ）を検出する磁気抵抗効果素子（１１ａ〜１１ｄ）を備えた磁気センサ（１１）と、磁気抵抗効果素子（１１ａ〜１１ｄ）に対しその感度方向（Ｓａ〜Ｓｄ）に直交する向きの磁界（Ｈｃ）を印加する磁界印加部（１２）と、磁気センサ（１１）の出力からその補正値を算出する演算部と、を備え、演算部は、磁界印加部（１２）により印加する磁界が異なる少なくとも２つの状態において得られる磁気センサ（１１）の出力から、補正値を算出可能に構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定電流を非接触で測定可能な電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車や太陽電池などの分野では、測定対象電流により生じる誘導磁界を磁気検出素子である磁気抵抗効果素子を用いて検出する方式の電流センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の電流センサでは、複数の磁気抵抗効果素子の出力の差分に基づいて測定対象電流を検出することで、高感度化を実現している。
【０００３】
このような電流センサにおいて、磁気抵抗効果素子の磁界検出感度は電流測定精度に直接的な影響を与えるため、電流センサの電流測定精度を高く維持するには磁気抵抗効果素子の磁界検出感度を適切に管理することが重要になる。この点につき、磁気検出素子の経年による抵抗値変化を補正するため、特定の環境における磁気検出素子の抵抗値に基づいてセンサ出力を補正する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１０５６９３号公報
【特許文献２】特開２０１０−２８６４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、磁気抵抗効果素子は所定の温度特性を有しており、温度変化に起因してその抵抗値は変動するようになっている。このため、電流センサの継続使用に伴って使用環境の温度が変化すると、電流センサの感度が変動して電流測定精度が低下することがある。この電流センサの電流測定精度を高く維持するためには、電流測定時における磁界検出感度の適切な管理が必要である。しかしながら、これまでのところ、磁界検出感度の管理を電流測定時に行うことができる電流センサは提案されていない。
【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電流測定時においても磁界検出感度を適切に管理可能な電流センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電流センサは、電流線を通流する被測定電流からの誘導磁界を検出する磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサと、前記磁気抵抗効果素子に対しその感度方向に直交する向きの磁界を印加する磁界印加部と、前記磁気センサの出力からその補正値を算出する演算部と、を備え、前記演算部は、前記磁界印加部により印加する磁界が異なる少なくとも２つの状態において得られる前記磁気センサの出力から、前記補正値を算出可能に構成されていることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、磁気抵抗効果素子の感度方向に直交する向きの磁界を印加することで磁気センサの補正値を算出するため、電流測定時においても補正値を算出可能である。これにより、電流測定時においても磁界検出感度を適切に管理可能な電流センサが実現する。
【０００９】
本発明の電流センサにおいて、前記２つの状態は、前記磁界印加部により磁界を印加しない状態、及び前記磁界印加部により所定の磁界を印加する状態であることが好ましい。この構成によれば、感度方向に直交する向きの磁界を印加しない状態における磁気センサ出力と、感度方向に直交する向きの磁界を印加する状態における磁気センサ出力とを用いて補正値を算出できる。
【００１０】
本発明の電流センサにおいて、前記２つの状態は、前記磁界印加部により第１の磁界を印加する状態、及び前記磁界印加部により第２の磁界を印加する状態であることが好ましい。この構成によれば、感度方向に直交する第１の磁界を印加する状態における磁気センサ出力と、感度方向に直交する第２の磁界を印加する状態における磁気センサ出力とを用いて補正値を算出できる。
【００１１】
本発明の電流センサにおいて、前記演算部は、前記２つの状態間における前記磁気センサの感度変化率をα、前記２つの状態において得られる前記磁気センサの出力をそれぞれＯ１、Ｏ２として、下記式（３）から前記補正値として用いられるオフセットβを算出可能に構成されていることが好ましい。この構成によれば、補正値として用いられる磁気センサ出力のオフセットβを算出できる。
（３）
β＝（αＯ１−Ｏ２）／（α−１）
【００１２】
本発明の電流センサにおいて、前記磁気センサの出力から前記補正値を減算して電流センサの出力を算出可能に構成されていることが好ましい。この構成によれば、磁気センサ出力から補正値を減算することで、電流センサの電流測定精度を高めることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、電流測定時においても磁界検出感度を適切に管理可能な電流センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】感度方向に直交する向きの磁界を印加する場合と、感度方向に直交する向きの磁界を印加しない場合とにおける磁気センサの出力特性図である。
【図２】実施の形態１に係る電流センサ及びその周辺構成の配置例を示す斜視図である。
【図３】実施の形態１に係る電流センサ及びその周辺構成の配置例を示す平面図である。
【図４】磁気抵抗効果素子として用いられるＧＭＲ素子の構成例を示す平面模式図である。
【図５】磁気抵抗効果素子として用いられるＧＭＲ素子の構成例を示す断面模式図である。
【図６】実施の形態１に係る電流センサの回路構成を示すブロック図である。
【図７】実施の形態１に係る電流センサの処理フロー図である。
【図８】コイルによって弱い誘導磁界を印加する場合と強い誘導磁界を印加する場合とにおける磁気センサの出力特性図である。
【図９】実施の形態２に係る電流センサの処理フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明者は、磁気抵抗効果素子に対し、その感度方向に直交する向きの磁界を印加すると、磁気抵抗効果素子の磁界検出感度が変化することを見出した。また、この方法で磁気抵抗効果素子の磁界検出感度を変化させると、磁気抵抗効果素子を含む磁気センサの出力特性の傾きは変化するが、オフセットはほとんど変化しないことを発見した。
【００１６】
図１は、感度方向に直交する向きの磁界（以下、直交磁界という）を印加する場合と、直交磁界を印加しない場合とにおける磁気センサの出力特性図である。図１において、横軸は感度方向に印加される磁界強度を示し、縦軸は磁気センサの出力を示す。また、直交磁界を印加しない場合の出力特性をＡ１で、直交磁界を印加する場合の出力特性をＡ２で示す。この場合、磁気センサに直交磁界を印加すると、感度方向に印加される磁界強度（横軸）が同じであっても磁気センサの出力（縦軸）は増加する（Ａ１→Ａ２）。一方、感度方向に磁界が印加されない場合の磁気センサの出力（オフセット）は、直交磁界の有無に依存しない。すなわち、Ａ１とＡ２とでオフセットの値は略等しくなる。
【００１７】
本発明者は上述の知見から、感度方向の磁界が一定であれば、直交磁界が異なる条件において少なくとも２つの出力特性（例えば、Ａ１及びＡ２）を取得してオフセットを算出できることを見出した。そして、直交磁界を複数の状態で印加可能な構成を設けることで任意のタイミングにおいてオフセットを補正できると考えて本発明を完成させた。すなわち、本発明は、直交磁界が異なる少なくとも２つの状態を作り出し、その２状態における磁気センサの出力からオフセットを算出することをその技術思想とするものである。
【００１８】
上述した技術思想を実現するには、直交磁界が異なる２つの状態を作り出す必要がある。このため、本発明の電流センサは、磁気抵抗効果素子に対して直交磁界を印加する構成を備えている。そして、当該構成によって、直交磁界を印加する状態、及び、直交磁界を印加しない状態という２つの状態を実現可能にしている。又は、当該構成によって、所定の向き及び強度の直交磁界を印加する状態、及び、向き又は強度が異なる直交磁界を印加する状態という２つの状態を実現可能にしている。この電流センサにより、磁気センサ出力におけるオフセットを適時補正することができる。以下、本発明の電流センサについて添付図面を参照して説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
図２及び図３は、本実施の形態に係る電流センサの構成例を示す模式図である。図２及び図３に示される電流センサ１は磁気比例式の電流センサであり、延在方向（ｙ方向）に被測定電流Ｉが通流する電流線２の近傍に配設されている。
【００２０】
図２及び図３に示される電流センサ１は、電流線２を通流する被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈｉを検出する磁気センサ１１と、磁気センサ１１に対して所定方向の誘導磁界Ｈｃを印加可能なコイル（磁界印加部）１２とを含んで構成されている。図３においては簡単のため、コイル１２を省略している。
【００２１】
図３に示すように、磁気センサ１１は、４個の磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄを含むブリッジ回路により構成されている。各磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄの感度方向（感度軸方向）Ｓａ〜Ｓｄは、電流線２の延在方向（ｙ軸方向）に対して略垂直な方向（ｘ軸方向）になっている。このため、磁気センサ１１の感度方向Ｓも、磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄの感度方向Ｓａ〜Ｓｄと同様、ｘ軸方向になっている。これにより、磁気センサ１１は、被測定電流Ｉによって生じるｘ軸方向の誘導磁界Ｈｃを検出可能である。
【００２２】
図３に示すように、磁気抵抗効果素子１１ａ、１１ｃの一端は電源端子Ｖと接続されており、電源電圧（Ｖｄｄ）が供給される。磁気抵抗効果素子１１ｂ、１１ｄは接地端子Ｇと接続されており、接地電圧（ＧＮＤ）が供給される。磁気抵抗効果素子１１ａ、１１ｂの他端は出力端子Ｏｕｔ１と接続されている。また、磁気抵抗効果素子１１ｃ、１１ｄの他端は出力端子Ｏｕｔ２と接続されている。これにより、出力端子Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２には磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄの抵抗値に応じた電圧が生じ、誘導磁界Ｈｉに対応する電圧差が得られるようになっている。出力端子Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２の電圧差は磁気センサ１１の出力に相当する。
【００２３】
上述のように、磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄによってブリッジ回路を構成することで、高感度の磁気センサ１１を実現できる。なお、磁気センサ１１は、必ずしも４個の素子でなるフルブリッジ回路でなくとも良い。例えば、２個の素子でなるハーフブリッジ回路を適用しても良い。また、磁気センサ１１に用いられる磁気抵抗効果素子の数は適宜変更できる。例えば、１個〜３個の磁気抵抗効果素子と任意の数の固定抵抗素子とを組み合わせてフルブリッジ回路を構成しても良い。
【００２４】
コイル１２は、磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄに対し、それらの感度方向Ｓａ〜Ｓｄに略直交する方向（ｙ方向）の誘導磁界Ｈｃを印加可能に構成されている。言い換えれば、コイル１２は、磁気センサ１１に対し、その感度方向Ｓに略直交する方向（ｙ方向）の誘導磁界Ｈｃを印加可能に構成されている。このように、感度方向Ｓに略直交する誘導磁界Ｈｃを磁気センサ１１に対して印加することで、磁気センサ１１の感度特性を変化させることが可能である。そして、これを利用することで、温度に依存して変動するオフセットを、後述のように任意のタイミングにおいて補正することが可能である。
【００２５】
なお、コイル１２は図２に示すスパイラル状（渦巻状）の平面コイルに限られない。コイル１２の形態は、感度方向Ｓに略直交する誘導磁界Ｈｃを印加可能な態様において任意に設定できる。なお、スパイラル状の平面コイルは、磁気抵抗効果素子と一体に作り込むことが可能であるため、部品点数の削減、小型化などの点において特に有効である。
【００２６】
図４は、磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄとして用いられるＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子の構成例を示す平面模式図である。図４に示すように、ＧＭＲ素子は、複数の長尺パターン３１ａ〜３１ｇを、その長手方向（ｙ軸方向）に直交する方向（ｘ軸方向）に配列した磁気検出パターン３１を含んで構成されている。各長尺パターンは互いに略平行に配置されており、各長尺パターンの端部は隣接する長尺パターンの端部と接続されている。これにより、磁気検出パターン３１はミアンダ形状を有している。
【００２７】
図４において、素子の感度方向（感度軸方向）Ｓａ〜Ｓｄは、長尺パターン３１ａ〜３１ｇの長手方向に直交する方向（ｘ軸方向）である。図４では、７個の長尺パターン３１ａ〜３１ｇを含む磁気検出パターン３１を示しているが、磁気検出パターン３１を構成する長尺パターンの数はこれに限定されない。また、磁気検出パターン３１を構成するフリー磁性層（軟磁性自由層）に対し、長尺パターン３１ａ〜３１ｇの長手方向に平行なバイアス磁界を印加するハードバイアス層を備えていても良い。ハードバイアス層を備えることにより、フリー磁性層の磁化方向を揃えることができるため、抵抗値と外部磁界との間の線形性を高めることができる。
【００２８】
図５は、磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄとして用いられるＧＭＲ素子の構成例を示す断面模式図である。図５に示すように、ＧＭＲ素子は、基板１０１に設けられた磁気検出パターン３１を構成する積層構造により構成されている。磁気検出パターン３１は、シード層１０２、第１の強磁性層１０３、反平行結合層１０４、第２の強磁性層１０５、非磁性中間層１０６、フリー磁性層１０７、及び保護層１０８を含む。第１の強磁性層１０３と第２の強磁性層１０５とは反平行結合層１０４を介して反強磁性的に結合されており、いわゆるセルフピン止め型の強磁性固定層（ＳＦＰ層：Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｆｅｒｒｉ Ｐｉｎｎｅｄ層）を構成している。
【００２９】
上述のように、コイル１２によって感度方向Ｓａ〜Ｓｄに略直交する方向（ｙ方向）の誘導磁界Ｈｃが印加されると、誘導磁界Ｈｃによってフリー磁性層１０７の磁化方向が変化する。このため、磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄの抵抗値が変化して、磁気センサ１１の感度が増減することになる。
【００３０】
コイル１２によって誘導磁界Ｈｃを印加する場合と誘導磁界Ｈｃを印加しない場合とにおける磁気センサ１１の出力特性は、図１のようになる。すなわち、コイル１２によって誘導磁界Ｈｃを印加しない場合の磁気センサ１１の出力特性はＡ１で表される。これに対して、コイル１２によって誘導磁界Ｈｃを印加する場合、磁気センサ１１の感度が増加して、出力特性はＡ２のようになる。
【００３１】
図１に示すように、コイル１２によって感度方向Ｓに略直交する誘導磁界Ｈｃを印加すると、磁気センサ１１の感度は変化する。磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄの感度方向Ｓａ〜Ｓｄに垂直な磁界が印加されると、磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄを構成するフリー磁性層の磁化方向が変化するためである。一方で、この場合、磁気センサ１１の出力のオフセットは変化しない。このことを利用して、オフセットを補正するための補正値を算出し、これを用いて磁気センサ１１の出力を補正することが可能である。
【００３２】
例えば、図１のＡ１に示す出力特性が下記式（１）で表されるとする。ここで、Ｏ１は、誘導磁界Ｈｃを印加しない場合における磁気センサ１１の出力を表し、ｆ（Ｈ）は、感度方向に印加される磁界Ｈに比例する関数を表し、βは、磁気センサ出力におけるオフセットを表す。
（１）
Ｏ１＝ｆ（Ｈ）＋β
【００３３】
また、図１のＡ２に示す出力特性が下記式（２）で表されるとする。ここで、Ｏ２は、誘導磁界Ｈｃを印加する場合における磁気センサ１１の出力を表し、ｆ（Ｈ）は、感度方向に印加される磁界Ｈに比例する関数を表し、αは、感度方向Ｓに略直交する誘導磁界がゼロからＨｃになった場合の感度変化率を表し、βは、磁気センサ出力におけるオフセットを表す。
（２）
Ｏ２＝αｆ（Ｈ）＋β
【００３４】
上記式（１）、（２）より、オフセットβは下記式（３）のようになる。
（３）
β＝（αＯ１−Ｏ２）／（α−１）
【００３５】
Ａ１からＡ２への感度変化率αは、Ａ１において印加されている感度方向に対して直交する磁界（直交磁界）と、Ａ２において印加されている直交磁界との差分に依存する。ここでは、Ａ１における直交磁界はゼロであり、Ａ２における直交磁界はＨｃであるから、感度変化率αはＨｃの強度のみに依存する。このことは、磁気センサ１１に対して印加される誘導磁界Ｈｃがあらかじめ決定されていれば、感度変化率αを定数として取り扱うことができることを意味する。つまり、誘導磁界Ｈｃを印加する条件において感度変化率αをあらかじめ求めておき、所望のタイミングで誘導磁界Ｈｃを印加してその前後における磁気センサ１１の出力を検出することで、上記式（３）からオフセットを算出することができる。なお、出力Ｏ１、Ｏ２を取得する前後において、感度方向に印加される磁界Ｈ（すなわち、被測定電流Ｉ、及び被測定電流Iによる誘導磁界Ｈｉ）は変動しないと仮定している。
【００３６】
図６は、本実施の形態に係る電流センサ１の回路構成を示すブロック図である。図６に示すように、電流センサ１は、磁気センサ１１及びコイル１２に加え、磁気センサ１１の出力に相当する電圧差を演算する差動アンプ１３と、差動アンプ１３の出力を記憶する記憶部１４と、記憶部１４に記憶された差動アンプ１３の出力に基づいて補正値を演算する演算部１５と、演算部１５により算出された補正値を用いて差動アンプ１３の出力を補正する補正部１６と、を備える。また、電流センサ１は、コイル１２、記憶部１４、演算部１５などの動作を制御する制御部１７を備える。
【００３７】
差動アンプ１３は、磁気センサ１１の２個の出力端子Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２の出力電圧（Ｏ１、Ｏ２）を用いて磁気センサ１１の出力に相当する電圧差を演算できるように構成されている。算出された電圧差は、記憶部１４及び補正部１６に送られる。なお、差動アンプ１３は、磁気センサ１１の電圧差を増幅する機能を備えていても良い。記憶部１４は、制御部１７からの指示により差動アンプ１３の出力を記憶できるように構成されている。具体的には、例えば、記憶部１４は、コイル１２が誘導磁界Ｈｃを発生する前後のタイミングにおいて差動アンプ１３の出力を記憶できるようになっている。また、記憶部１４には、あらかじめ測定された感度変化率の値などが記憶されている。演算部１５は、記憶部１４の記憶内容に基づいて補正値を演算する。すなわち、所定タイミングの前後において取得された差動アンプ１３の出力（磁気センサ１１の出力に相当）と、感度変化率の値とを用いて補正値を算出する。補正値は、上述した式（３）から算出できる。
【００３８】
補正部１６は、演算部１５により算出された補正値を用いて差動アンプ１３の出力（磁気センサ１１の出力）を補正し、当該補正後の磁気センサ１１の出力を電流センサ１の出力とすることができるように構成されている。すなわち、演算部１５により補正値が決定された後には、補正部１６は、磁気センサ１１の出力から補正値を減じてオフセットの影響を除去できるようになっている。制御部１７は、コイル１２、記憶部１４、演算部１５などに対し各種指示を与えることができるように構成されている。
【００３９】
図７は、本実施の形態に係る電流センサ１の処理フロー図である。上述のような電流センサ１において、制御部１７は、まず、補正値の算出が必要か否かを判定する（ステップＳ２０１）。当該判定は、例えば、直前の補正値算出から所定時間が経過しているか否か、電流測定対象となる装置の使用時間が所定時間を経過したか否か、環境温度が所定以上に変動したか否か、などを基準にして行うことができる。
【００４０】
補正値の算出が必要と判定された場合（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）、制御部１７は、差動アンプ１３の出力を記憶するよう記憶部１４に指示する（ステップＳ２０２）。コイル１２が誘導磁界Ｈｃを発生する前のタイミングにおいて、磁気センサ１１には被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈｉは印加されているが、誘導磁界Ｈｃは印加されていない。このため、磁気センサ１１からは、図１のＡ１で示す出力特性に応じた出力が得られ、差動アンプ１３を経て記憶部１４に格納される。
【００４１】
その後、制御部１７は、コイル１２に対して電流を通流させるように指示する（ステップＳ２０３）。これにより、コイル１２から誘導磁界Ｈｃが発生する。また、この状態において、差動アンプ１３の出力を記憶するよう記憶部１４に指示する（ステップＳ２０４）。コイル１２に対して電流を通流させてコイル１２から誘導磁界Ｈｃが発生したタイミングにおいて、磁気センサ１１には被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈｉ及び誘導磁界Ｈｃが印加されている。このため、磁気センサ１１からは、図１のＡ２で示す出力特性に応じた出力が得られ、差動アンプ１３を経て記憶部１４に格納される。なお、制御部１７は、上述した出力が得られた後には、誘導磁界Ｈｃの発生を停止させる。
【００４２】
制御部１７は、演算部１５に対し、磁気センサ１１の２種類の出力を用いて補正値（オフセット）を算出するように指示する（ステップＳ２０５）。補正値は、上述のように式（３）を用いて算出することができる。演算部１５により算出された補正値は、補正部１６に送られる。
【００４３】
その後の電流測定において、補正部１６は、最新の補正値を用いて磁気センサ１１の出力（差動アンプ１３の出力）を補正し（ステップＳ２０６）、電流センサ１の出力として出力する。また、直前の補正値算出から所定時間が経過していない場合など、補正値の算出が不要と判定された場合にも（ステップＳ２０１：Ｎｏ）、補正部１６は、最新の補正値を用いて磁気センサ１１の出力（差動アンプ１３の出力）を補正し（ステップＳ２０６）、電流センサ１の出力として出力する。
【００４４】
このように、本実施の形態に係る電流センサ１は、被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈｉが変動しない条件のもとで、磁気センサ１１の出力のオフセットを算出して補正することができる。補正値の算出に係る処理は短時間に終了するため（数ｍｓ以下）、被測定電流の時間変動が大きくない場合には、処理時間内において誘導磁界Ｈｉは殆ど変動しない。このため、電流測定時においても補正値を算出することが可能である。また、コイル１２を通流する電流を変更するだけで補正値を算出可能なため、電流測定時における磁界検出感度の管理を、比較的単純な構成で実現できる。
【００４５】
その他、本実施の形態に係る構成は、他の実施の形態に係る構成と適宜組み合わせて実施することができる。
【００４６】
（実施の形態２）
本実施の形態では、上記実施の形態とは異なる方法によって補正値を算出する電流センサについて説明する。なお、本実施の形態に係る電流センサの構成は、上記実施の形態における電流センサの構成と同様であるため、その詳細については省略する。
【００４７】
本実施の形態に係る電流センサは、コイル１２により異なる誘導磁界を印加することで補正値を算出する。図８は、コイル１２によって弱い誘導磁界Ｈｃ１を印加する場合と強い誘導磁界Ｈｃ２を印加する場合とにおける磁気センサ１１の出力特性図である。図８において、コイル１２によって弱い誘導磁界Ｈｃ１を印加する場合の磁気センサ１１の出力特性はＢ１で表される。また、コイル１２によって強い誘導磁界Ｈｃ２を印加する場合の磁気センサ１１の出力特性はＢ２で表される。
【００４８】
この場合も、オフセットβは式（３）で表される。ただし、この場合、Ｏ１は、弱い誘導磁界Ｈｃ１を印加する場合における磁気センサ１１の出力を表し、Ｏ２は、強い誘導磁界Ｈｃ２を印加する場合における磁気センサ１１の出力を表し、αは、感度方向Ｓに略直交する誘導磁界がＨｃ１からＨｃ２に変化する場合の感度変化率を表す。
（３）
β＝（αＯ１−Ｏ２）／（α−１）
【００４９】
図９は、本実施の形態に係る電流センサ１の処理フロー図である。上述のような電流センサ１において、制御部１７は、まず、補正値の算出が必要か否かを判定する（ステップＳ３０１）。判定基準は上記実施の形態と同様である。
【００５０】
補正値の算出が必要と判定された場合（ステップＳ３０１：Ｙｅｓ）、制御部１７は、コイル１２に対して小さな電流を通流させるように指示する（ステップＳ３０２）。これにより、コイル１２から弱い誘導磁界Ｈｃ１が発生する。また、この状態において、差動アンプ１３の出力を記憶するよう記憶部１４に指示する（ステップＳ３０３）。コイル１２に対して小さな電流を通流させて弱い誘導磁界Ｈｃ１が発生したタイミングにおいて、磁気センサ１１には被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈｉ及び弱い誘導磁界Ｈｃ１が印加されている。このため、磁気センサ１１からは、図９のＢ１で示す出力特性に応じた出力が得られ、差動アンプ１３を経て記憶部１４に格納される。
【００５１】
その後、制御部１７は、コイル１２に対して大きな電流を通流させるように指示する（ステップＳ３０４）。これにより、コイル１２から強い誘導磁界Ｈｃ２が発生する。また、この状態において、差動アンプ１３の出力を記憶するよう記憶部１４に指示する（ステップＳ３０５）。コイル１２に対して大きな電流を通流させて強い誘導磁界Ｈｃ２が発生したタイミングにおいて、磁気センサ１１には被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈｉ及び強い誘導磁界Ｈｃ２が印加されている。このため、磁気センサ１１からは、図９のＢ２で示す出力特性に応じた出力が得られ、差動アンプ１３を経て記憶部１４に格納される。なお、制御部１７は、上述した出力が得られた後には、誘導磁界Ｈｃ２の発生を停止させる。
【００５２】
制御部１７は、演算部１５に対し、磁気センサ１１の２種類の出力を用いて補正値（オフセット）を算出するように指示する（ステップＳ３０６）。補正値は、上述のように式（３）を用いて算出することができる。演算部１５により算出された補正値は、補正部１６に送られる。
【００５３】
その後の電流測定において、補正部１６は、最新の補正値を用いて磁気センサ１１の出力（差動アンプ１３の出力）を補正し（ステップＳ３０７）、電流センサ１の出力として出力する。また、補正値の算出が不要と判定された場合にも（ステップＳ３０１：Ｎｏ）、補正部１６は、最新の補正値を用いて磁気センサ１１の出力（差動アンプ１３の出力）を補正し（ステップＳ３０７）、電流センサ１の出力として出力する。
【００５４】
本実施の形態のように、コイル１２により異なる誘導磁界を印加する場合にも同様に補正値を算出して磁気センサ１１の出力を補正することができる。なお、本実施の形態では、強度の異なる同じ向きの誘導磁界Ｈｃ１、Ｈｃ２を印加する場合について説明したが、逆向きの誘導磁界などを印加するようにしても良い。
【００５５】
その他、本実施の形態に係る構成は、他の実施の形態に係る構成と適宜組み合わせて実施することができる。
【００５６】
以上のように、本発明の電流センサは、磁気抵抗効果素子の感度方向に直交する向きの磁界を印加することで磁気センサの補正値を算出するため、電流測定時においても補正値を算出可能である。これにより、電流測定時においても磁界検出感度を適切に管理可能な電流センサが実現できる。
【００５７】
なお、上記実施の形態における各素子の接続関係、配置などは、発明の趣旨を変更しない限りにおいて変更可能である。例えば、上記実施の形態では、演算部や補正部などが電流センサに含まれる構成を例示しているが、これらは電流センサ外部に設けられても良い。また、上記実施の形態では、磁気抵抗効果素子において感度方向に直交する磁界が異なる２つの状態から補正値を算出する構成を例示しているが、３つ以上の状態から補正値を算出する構成としても良い。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施できる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の電流センサは、例えば、電気自動車やハイブリッドカーなどのモータ駆動用電流の大きさを検知するために用いることが可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１ 電流センサ
２ 電流線
１１ 磁気センサ
１１ａ〜１１ｄ 磁気抵抗効果素子
１２ コイル（磁界印加部）
１３ 差動アンプ
１４ 記憶部
１５ 演算部
１６ 補正部
１７ 制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定電流を非接触で測定可能な電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車や太陽電池などの分野では、測定対象電流により生じる誘導磁界を磁気検出素子である磁気抵抗効果素子を用いて検出する方式の電流センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の電流センサでは、複数の磁気抵抗効果素子の出力の差分に基づいて測定対象電流を検出することで、高感度化を実現している。
【０００３】
このような電流センサにおいて、磁気抵抗効果素子の磁界検出感度は電流測定精度に直接的な影響を与えるため、電流センサの電流測定精度を高く維持するには磁気抵抗効果素子の磁界検出感度を適切に管理することが重要になる。この点につき、磁気検出素子の経年による抵抗値変化を補正するため、特定の環境における磁気検出素子の抵抗値に基づいてセンサ出力を補正する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１０５６９３号公報
【特許文献２】特開２０１０−２８６４９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、磁気抵抗効果素子は所定の温度特性を有しており、温度変化に起因してその抵抗値は変動するようになっている。このため、電流センサの継続使用に伴って使用環境の温度が変化すると、電流センサの感度が変動して電流測定精度が低下することがある。この電流センサの電流測定精度を高く維持するためには、電流測定時における磁界検出感度の適切な管理が必要である。しかしながら、これまでのところ、磁界検出感度の管理を電流測定時に行うことができる電流センサは提案されていない。
【０００６】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電流測定時においても磁界検出感度を適切に管理可能な電流センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電流センサは、電流線を通流する被測定電流からの誘導磁界を検出する磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサと、前記磁気抵抗効果素子に対しその感度方向に直交する向きの磁界を印加する磁界印加部と、前記磁気センサの出力からその補正値を算出する演算部と、を備え、前記演算部は、前記磁界印加部により印加する磁界が異なる少なくとも２つの状態において得られる前記磁気センサの出力から、前記補正値を算出可能に構成されていることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、磁気抵抗効果素子の感度方向に直交する向きの磁界を印加することで磁気センサの補正値を算出するため、電流測定時においても補正値を算出可能である。これにより、電流測定時においても磁界検出感度を適切に管理可能な電流センサが実現する。
【０００９】
本発明の電流センサにおいて、前記２つの状態は、前記磁界印加部により磁界を印加しない状態、及び前記磁界印加部により所定の磁界を印加する状態であることが好ましい。この構成によれば、感度方向に直交する向きの磁界を印加しない状態における磁気センサ出力と、感度方向に直交する向きの磁界を印加する状態における磁気センサ出力とを用いて補正値を算出できる。
【００１０】
本発明の電流センサにおいて、前記２つの状態は、前記磁界印加部により第１の磁界を印加する状態、及び前記磁界印加部により第２の磁界を印加する状態であることが好ましい。この構成によれば、感度方向に直交する第１の磁界を印加する状態における磁気センサ出力と、感度方向に直交する第２の磁界を印加する状態における磁気センサ出力とを用いて補正値を算出できる。
【００１１】
本発明の電流センサにおいて、前記演算部は、前記２つの状態間における前記磁気センサの感度変化率をα、前記２つの状態において得られる前記磁気センサの出力をそれぞれＯ１、Ｏ２として、下記式（３）から前記補正値として用いられるオフセットβを算出可能に構成されていることが好ましい。この構成によれば、補正値として用いられる磁気センサ出力のオフセットβを算出できる。
（３）
β＝（αＯ１−Ｏ２）／（α−１）
【００１２】
本発明の電流センサにおいて、前記磁気センサの出力から前記補正値を減算して電流センサの出力を算出可能に構成されていることが好ましい。この構成によれば、磁気センサ出力から補正値を減算することで、電流センサの電流測定精度を高めることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、電流測定時においても磁界検出感度を適切に管理可能な電流センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】感度方向に直交する向きの磁界を印加する場合と、感度方向に直交する向きの磁界を印加しない場合とにおける磁気センサの出力特性図である。
【図２】実施の形態１に係る電流センサ及びその周辺構成の配置例を示す斜視図である。
【図３】実施の形態１に係る電流センサ及びその周辺構成の配置例を示す平面図である。
【図４】磁気抵抗効果素子として用いられるＧＭＲ素子の構成例を示す平面模式図である。
【図５】磁気抵抗効果素子として用いられるＧＭＲ素子の構成例を示す断面模式図である。
【図６】実施の形態１に係る電流センサの回路構成を示すブロック図である。
【図７】実施の形態１に係る電流センサの処理フロー図である。
【図８】コイルによって弱い誘導磁界を印加する場合と強い誘導磁界を印加する場合とにおける磁気センサの出力特性図である。
【図９】実施の形態２に係る電流センサの処理フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明者は、磁気抵抗効果素子に対し、その感度方向に直交する向きの磁界を印加すると、磁気抵抗効果素子の磁界検出感度が変化することを見出した。また、この方法で磁気抵抗効果素子の磁界検出感度を変化させると、磁気抵抗効果素子を含む磁気センサの出力特性の傾きは変化するが、オフセットはほとんど変化しないことを発見した。
【００１６】
図１は、感度方向に直交する向きの磁界（以下、直交磁界という）を印加する場合と、直交磁界を印加しない場合とにおける磁気センサの出力特性図である。図１において、横軸は感度方向に印加される磁界強度を示し、縦軸は磁気センサの出力を示す。また、直交磁界を印加しない場合の出力特性をＡ１で、直交磁界を印加する場合の出力特性をＡ２で示す。この場合、磁気センサに直交磁界を印加すると、感度方向に印加される磁界強度（横軸）が同じであっても磁気センサの出力（縦軸）は増加する（Ａ１→Ａ２）。一方、感度方向に磁界が印加されない場合の磁気センサの出力（オフセット）は、直交磁界の有無に依存しない。すなわち、Ａ１とＡ２とでオフセットの値は略等しくなる。
【００１７】
本発明者は上述の知見から、感度方向の磁界が一定であれば、直交磁界が異なる条件において少なくとも２つの出力特性（例えば、Ａ１及びＡ２）を取得してオフセットを算出できることを見出した。そして、直交磁界を複数の状態で印加可能な構成を設けることで任意のタイミングにおいてオフセットを補正できると考えて本発明を完成させた。すなわち、本発明は、直交磁界が異なる少なくとも２つの状態を作り出し、その２状態における磁気センサの出力からオフセットを算出することをその技術思想とするものである。
【００１８】
上述した技術思想を実現するには、直交磁界が異なる２つの状態を作り出す必要がある。このため、本発明の電流センサは、磁気抵抗効果素子に対して直交磁界を印加する構成を備えている。そして、当該構成によって、直交磁界を印加する状態、及び、直交磁界を印加しない状態という２つの状態を実現可能にしている。又は、当該構成によって、所定の向き及び強度の直交磁界を印加する状態、及び、向き又は強度が異なる直交磁界を印加する状態という２つの状態を実現可能にしている。この電流センサにより、磁気センサ出力におけるオフセットを適時補正することができる。以下、本発明の電流センサについて添付図面を参照して説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
図２及び図３は、本実施の形態に係る電流センサの構成例を示す模式図である。図２及び図３に示される電流センサ１は磁気比例式の電流センサであり、延在方向（ｙ方向）に被測定電流Ｉが通流する電流線２の近傍に配設されている。
【００２０】
図２及び図３に示される電流センサ１は、電流線２を通流する被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈｉを検出する磁気センサ１１と、磁気センサ１１に対して所定方向の誘導磁界Ｈｃを印加可能なコイル（磁界印加部）１２とを含んで構成されている。図３においては簡単のため、コイル１２を省略している。
【００２１】
図３に示すように、磁気センサ１１は、４個の磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄを含むブリッジ回路により構成されている。各磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄの感度方向（感度軸方向）Ｓａ〜Ｓｄは、電流線２の延在方向（ｙ軸方向）に対して略垂直な方向（ｘ軸方向）になっている。このため、磁気センサ１１の感度方向Ｓも、磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄの感度方向Ｓａ〜Ｓｄと同様、ｘ軸方向になっている。これにより、磁気センサ１１は、被測定電流Ｉによって生じるｘ軸方向の誘導磁界Ｈｃを検出可能である。
【００２２】
図３に示すように、磁気抵抗効果素子１１ａ、１１ｃの一端は電源端子Ｖと接続されており、電源電圧（Ｖｄｄ）が供給される。磁気抵抗効果素子１１ｂ、１１ｄは接地端子Ｇと接続されており、接地電圧（ＧＮＤ）が供給される。磁気抵抗効果素子１１ａ、１１ｂの他端は出力端子Ｏｕｔ１と接続されている。また、磁気抵抗効果素子１１ｃ、１１ｄの他端は出力端子Ｏｕｔ２と接続されている。これにより、出力端子Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２には磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄの抵抗値に応じた電圧が生じ、誘導磁界Ｈｉに対応する電圧差が得られるようになっている。出力端子Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２の電圧差は磁気センサ１１の出力に相当する。
【００２３】
上述のように、磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄによってブリッジ回路を構成することで、高感度の磁気センサ１１を実現できる。なお、磁気センサ１１は、必ずしも４個の素子でなるフルブリッジ回路でなくとも良い。例えば、２個の素子でなるハーフブリッジ回路を適用しても良い。また、磁気センサ１１に用いられる磁気抵抗効果素子の数は適宜変更できる。例えば、１個〜３個の磁気抵抗効果素子と任意の数の固定抵抗素子とを組み合わせてフルブリッジ回路を構成しても良い。
【００２４】
コイル１２は、磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄに対し、それらの感度方向Ｓａ〜Ｓｄに略直交する方向（ｙ方向）の誘導磁界Ｈｃを印加可能に構成されている。言い換えれば、コイル１２は、磁気センサ１１に対し、その感度方向Ｓに略直交する方向（ｙ方向）の誘導磁界Ｈｃを印加可能に構成されている。このように、感度方向Ｓに略直交する誘導磁界Ｈｃを磁気センサ１１に対して印加することで、磁気センサ１１の感度特性を変化させることが可能である。そして、これを利用することで、温度に依存して変動するオフセットを、後述のように任意のタイミングにおいて補正することが可能である。
【００２５】
なお、コイル１２は図２に示すスパイラル状（渦巻状）の平面コイルに限られない。コイル１２の形態は、感度方向Ｓに略直交する誘導磁界Ｈｃを印加可能な態様において任意に設定できる。なお、スパイラル状の平面コイルは、磁気抵抗効果素子と一体に作り込むことが可能であるため、部品点数の削減、小型化などの点において特に有効である。
【００２６】
図４は、磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄとして用いられるＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子の構成例を示す平面模式図である。図４に示すように、ＧＭＲ素子は、複数の長尺パターン３１ａ〜３１ｇを、その長手方向（ｙ軸方向）に直交する方向（ｘ軸方向）に配列した磁気検出パターン３１を含んで構成されている。各長尺パターンは互いに略平行に配置されており、各長尺パターンの端部は隣接する長尺パターンの端部と接続されている。これにより、磁気検出パターン３１はミアンダ形状を有している。
【００２７】
図４において、素子の感度方向（感度軸方向）Ｓａ〜Ｓｄは、長尺パターン３１ａ〜３１ｇの長手方向に直交する方向（ｘ軸方向）である。図４では、７個の長尺パターン３１ａ〜３１ｇを含む磁気検出パターン３１を示しているが、磁気検出パターン３１を構成する長尺パターンの数はこれに限定されない。また、磁気検出パターン３１を構成するフリー磁性層（軟磁性自由層）に対し、長尺パターン３１ａ〜３１ｇの長手方向に平行なバイアス磁界を印加するハードバイアス層を備えていても良い。ハードバイアス層を備えることにより、フリー磁性層の磁化方向を揃えることができるため、抵抗値と外部磁界との間の線形性を高めることができる。
【００２８】
図５は、磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄとして用いられるＧＭＲ素子の構成例を示す断面模式図である。図５に示すように、ＧＭＲ素子は、基板１０１に設けられた磁気検出パターン３１を構成する積層構造により構成されている。磁気検出パターン３１は、シード層１０２、第１の強磁性層１０３、反平行結合層１０４、第２の強磁性層１０５、非磁性中間層１０６、フリー磁性層１０７、及び保護層１０８を含む。第１の強磁性層１０３と第２の強磁性層１０５とは反平行結合層１０４を介して反強磁性的に結合されており、いわゆるセルフピン止め型の強磁性固定層（ＳＦＰ層：Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｆｅｒｒｉ Ｐｉｎｎｅｄ層）を構成している。
【００２９】
上述のように、コイル１２によって感度方向Ｓａ〜Ｓｄに略直交する方向（ｙ方向）の誘導磁界Ｈｃが印加されると、誘導磁界Ｈｃによってフリー磁性層１０７の磁化方向が変化する。このため、磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄの抵抗値が変化して、磁気センサ１１の感度が増減することになる。
【００３０】
コイル１２によって誘導磁界Ｈｃを印加する場合と誘導磁界Ｈｃを印加しない場合とにおける磁気センサ１１の出力特性は、図１のようになる。すなわち、コイル１２によって誘導磁界Ｈｃを印加しない場合の磁気センサ１１の出力特性はＡ１で表される。これに対して、コイル１２によって誘導磁界Ｈｃを印加する場合、磁気センサ１１の感度が増加して、出力特性はＡ２のようになる。
【００３１】
図１に示すように、コイル１２によって感度方向Ｓに略直交する誘導磁界Ｈｃを印加すると、磁気センサ１１の感度は変化する。磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄの感度方向Ｓａ〜Ｓｄに垂直な磁界が印加されると、磁気抵抗効果素子１１ａ〜１１ｄを構成するフリー磁性層の磁化方向が変化するためである。一方で、この場合、磁気センサ１１の出力のオフセットは変化しない。このことを利用して、オフセットを補正するための補正値を算出し、これを用いて磁気センサ１１の出力を補正することが可能である。
【００３２】
例えば、図１のＡ１に示す出力特性が下記式（１）で表されるとする。ここで、Ｏ１は、誘導磁界Ｈｃを印加しない場合における磁気センサ１１の出力を表し、ｆ（Ｈ）は、感度方向に印加される磁界Ｈに比例する関数を表し、βは、磁気センサ出力におけるオフセットを表す。
（１）
Ｏ１＝ｆ（Ｈ）＋β
【００３３】
また、図１のＡ２に示す出力特性が下記式（２）で表されるとする。ここで、Ｏ２は、誘導磁界Ｈｃを印加する場合における磁気センサ１１の出力を表し、ｆ（Ｈ）は、感度方向に印加される磁界Ｈに比例する関数を表し、αは、感度方向Ｓに略直交する誘導磁界がゼロからＨｃになった場合の感度変化率を表し、βは、磁気センサ出力におけるオフセットを表す。
（２）
Ｏ２＝αｆ（Ｈ）＋β
【００３４】
上記式（１）、（２）より、オフセットβは下記式（３）のようになる。
（３）
β＝（αＯ１−Ｏ２）／（α−１）
【００３５】
Ａ１からＡ２への感度変化率αは、Ａ１において印加されている感度方向に対して直交する磁界（直交磁界）と、Ａ２において印加されている直交磁界との差分に依存する。ここでは、Ａ１における直交磁界はゼロであり、Ａ２における直交磁界はＨｃであるから、感度変化率αはＨｃの強度のみに依存する。このことは、磁気センサ１１に対して印加される誘導磁界Ｈｃがあらかじめ決定されていれば、感度変化率αを定数として取り扱うことができることを意味する。つまり、誘導磁界Ｈｃを印加する条件において感度変化率αをあらかじめ求めておき、所望のタイミングで誘導磁界Ｈｃを印加してその前後における磁気センサ１１の出力を検出することで、上記式（３）からオフセットを算出することができる。なお、出力Ｏ１、Ｏ２を取得する前後において、感度方向に印加される磁界Ｈ（すなわち、被測定電流Ｉ、及び被測定電流Iによる誘導磁界Ｈｉ）は変動しないと仮定している。
【００３６】
図６は、本実施の形態に係る電流センサ１の回路構成を示すブロック図である。図６に示すように、電流センサ１は、磁気センサ１１及びコイル１２に加え、磁気センサ１１の出力に相当する電圧差を演算する差動アンプ１３と、差動アンプ１３の出力を記憶する記憶部１４と、記憶部１４に記憶された差動アンプ１３の出力に基づいて補正値を演算する演算部１５と、演算部１５により算出された補正値を用いて差動アンプ１３の出力を補正する補正部１６と、を備える。また、電流センサ１は、コイル１２、記憶部１４、演算部１５などの動作を制御する制御部１７を備える。
【００３７】
差動アンプ１３は、磁気センサ１１の２個の出力端子Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２の出力電圧（Ｏ１、Ｏ２）を用いて磁気センサ１１の出力に相当する電圧差を演算できるように構成されている。算出された電圧差は、記憶部１４及び補正部１６に送られる。なお、差動アンプ１３は、磁気センサ１１の電圧差を増幅する機能を備えていても良い。記憶部１４は、制御部１７からの指示により差動アンプ１３の出力を記憶できるように構成されている。具体的には、例えば、記憶部１４は、コイル１２が誘導磁界Ｈｃを発生する前後のタイミングにおいて差動アンプ１３の出力を記憶できるようになっている。また、記憶部１４には、あらかじめ測定された感度変化率の値などが記憶されている。演算部１５は、記憶部１４の記憶内容に基づいて補正値を演算する。すなわち、所定タイミングの前後において取得された差動アンプ１３の出力（磁気センサ１１の出力に相当）と、感度変化率の値とを用いて補正値を算出する。補正値は、上述した式（３）から算出できる。
【００３８】
補正部１６は、演算部１５により算出された補正値を用いて差動アンプ１３の出力（磁気センサ１１の出力）を補正し、当該補正後の磁気センサ１１の出力を電流センサ１の出力とすることができるように構成されている。すなわち、演算部１５により補正値が決定された後には、補正部１６は、磁気センサ１１の出力から補正値を減じてオフセットの影響を除去できるようになっている。制御部１７は、コイル１２、記憶部１４、演算部１５などに対し各種指示を与えることができるように構成されている。
【００３９】
図７は、本実施の形態に係る電流センサ１の処理フロー図である。上述のような電流センサ１において、制御部１７は、まず、補正値の算出が必要か否かを判定する（ステップＳ２０１）。当該判定は、例えば、直前の補正値算出から所定時間が経過しているか否か、電流測定対象となる装置の使用時間が所定時間を経過したか否か、環境温度が所定以上に変動したか否か、などを基準にして行うことができる。
【００４０】
補正値の算出が必要と判定された場合（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）、制御部１７は、差動アンプ１３の出力を記憶するよう記憶部１４に指示する（ステップＳ２０２）。コイル１２が誘導磁界Ｈｃを発生する前のタイミングにおいて、磁気センサ１１には被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈｉは印加されているが、誘導磁界Ｈｃは印加されていない。このため、磁気センサ１１からは、図１のＡ１で示す出力特性に応じた出力が得られ、差動アンプ１３を経て記憶部１４に格納される。
【００４１】
その後、制御部１７は、コイル１２に対して電流を通流させるように指示する（ステップＳ２０３）。これにより、コイル１２から誘導磁界Ｈｃが発生する。また、この状態において、差動アンプ１３の出力を記憶するよう記憶部１４に指示する（ステップＳ２０４）。コイル１２に対して電流を通流させてコイル１２から誘導磁界Ｈｃが発生したタイミングにおいて、磁気センサ１１には被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈｉ及び誘導磁界Ｈｃが印加されている。このため、磁気センサ１１からは、図１のＡ２で示す出力特性に応じた出力が得られ、差動アンプ１３を経て記憶部１４に格納される。なお、制御部１７は、上述した出力が得られた後には、誘導磁界Ｈｃの発生を停止させる。
【００４２】
制御部１７は、演算部１５に対し、磁気センサ１１の２種類の出力を用いて補正値（オフセット）を算出するように指示する（ステップＳ２０５）。補正値は、上述のように式（３）を用いて算出することができる。演算部１５により算出された補正値は、補正部１６に送られる。
【００４３】
その後の電流測定において、補正部１６は、最新の補正値を用いて磁気センサ１１の出力（差動アンプ１３の出力）を補正し（ステップＳ２０６）、電流センサ１の出力として出力する。また、直前の補正値算出から所定時間が経過していない場合など、補正値の算出が不要と判定された場合にも（ステップＳ２０１：Ｎｏ）、補正部１６は、最新の補正値を用いて磁気センサ１１の出力（差動アンプ１３の出力）を補正し（ステップＳ２０６）、電流センサ１の出力として出力する。
【００４４】
このように、本実施の形態に係る電流センサ１は、被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈｉが変動しない条件のもとで、磁気センサ１１の出力のオフセットを算出して補正することができる。補正値の算出に係る処理は短時間に終了するため（数ｍｓ以下）、被測定電流の時間変動が大きくない場合には、処理時間内において誘導磁界Ｈｉは殆ど変動しない。このため、電流測定時においても補正値を算出することが可能である。また、コイル１２を通流する電流を変更するだけで補正値を算出可能なため、電流測定時における磁界検出感度の管理を、比較的単純な構成で実現できる。
【００４５】
その他、本実施の形態に係る構成は、他の実施の形態に係る構成と適宜組み合わせて実施することができる。
【００４６】
（実施の形態２）
本実施の形態では、上記実施の形態とは異なる方法によって補正値を算出する電流センサについて説明する。なお、本実施の形態に係る電流センサの構成は、上記実施の形態における電流センサの構成と同様であるため、その詳細については省略する。
【００４７】
本実施の形態に係る電流センサは、コイル１２により異なる誘導磁界を印加することで補正値を算出する。図８は、コイル１２によって弱い誘導磁界Ｈｃ１を印加する場合と強い誘導磁界Ｈｃ２を印加する場合とにおける磁気センサ１１の出力特性図である。図８において、コイル１２によって弱い誘導磁界Ｈｃ１を印加する場合の磁気センサ１１の出力特性はＢ１で表される。また、コイル１２によって強い誘導磁界Ｈｃ２を印加する場合の磁気センサ１１の出力特性はＢ２で表される。
【００４８】
この場合も、オフセットβは式（３）で表される。ただし、この場合、Ｏ１は、弱い誘導磁界Ｈｃ１を印加する場合における磁気センサ１１の出力を表し、Ｏ２は、強い誘導磁界Ｈｃ２を印加する場合における磁気センサ１１の出力を表し、αは、感度方向Ｓに略直交する誘導磁界がＨｃ１からＨｃ２に変化する場合の感度変化率を表す。
（３）
β＝（αＯ１−Ｏ２）／（α−１）
【００４９】
図９は、本実施の形態に係る電流センサ１の処理フロー図である。上述のような電流センサ１において、制御部１７は、まず、補正値の算出が必要か否かを判定する（ステップＳ３０１）。判定基準は上記実施の形態と同様である。
【００５０】
補正値の算出が必要と判定された場合（ステップＳ３０１：Ｙｅｓ）、制御部１７は、コイル１２に対して小さな電流を通流させるように指示する（ステップＳ３０２）。これにより、コイル１２から弱い誘導磁界Ｈｃ１が発生する。また、この状態において、差動アンプ１３の出力を記憶するよう記憶部１４に指示する（ステップＳ３０３）。コイル１２に対して小さな電流を通流させて弱い誘導磁界Ｈｃ１が発生したタイミングにおいて、磁気センサ１１には被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈｉ及び弱い誘導磁界Ｈｃ１が印加されている。このため、磁気センサ１１からは、図９のＢ１で示す出力特性に応じた出力が得られ、差動アンプ１３を経て記憶部１４に格納される。
【００５１】
その後、制御部１７は、コイル１２に対して大きな電流を通流させるように指示する（ステップＳ３０４）。これにより、コイル１２から強い誘導磁界Ｈｃ２が発生する。また、この状態において、差動アンプ１３の出力を記憶するよう記憶部１４に指示する（ステップＳ３０５）。コイル１２に対して大きな電流を通流させて強い誘導磁界Ｈｃ２が発生したタイミングにおいて、磁気センサ１１には被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈｉ及び強い誘導磁界Ｈｃ２が印加されている。このため、磁気センサ１１からは、図９のＢ２で示す出力特性に応じた出力が得られ、差動アンプ１３を経て記憶部１４に格納される。なお、制御部１７は、上述した出力が得られた後には、誘導磁界Ｈｃ２の発生を停止させる。
【００５２】
制御部１７は、演算部１５に対し、磁気センサ１１の２種類の出力を用いて補正値（オフセット）を算出するように指示する（ステップＳ３０６）。補正値は、上述のように式（３）を用いて算出することができる。演算部１５により算出された補正値は、補正部１６に送られる。
【００５３】
その後の電流測定において、補正部１６は、最新の補正値を用いて磁気センサ１１の出力（差動アンプ１３の出力）を補正し（ステップＳ３０７）、電流センサ１の出力として出力する。また、補正値の算出が不要と判定された場合にも（ステップＳ３０１：Ｎｏ）、補正部１６は、最新の補正値を用いて磁気センサ１１の出力（差動アンプ１３の出力）を補正し（ステップＳ３０７）、電流センサ１の出力として出力する。
【００５４】
本実施の形態のように、コイル１２により異なる誘導磁界を印加する場合にも同様に補正値を算出して磁気センサ１１の出力を補正することができる。なお、本実施の形態では、強度の異なる同じ向きの誘導磁界Ｈｃ１、Ｈｃ２を印加する場合について説明したが、逆向きの誘導磁界などを印加するようにしても良い。
【００５５】
その他、本実施の形態に係る構成は、他の実施の形態に係る構成と適宜組み合わせて実施することができる。
【００５６】
以上のように、本発明の電流センサは、磁気抵抗効果素子の感度方向に直交する向きの磁界を印加することで磁気センサの補正値を算出するため、電流測定時においても補正値を算出可能である。これにより、電流測定時においても磁界検出感度を適切に管理可能な電流センサが実現できる。
【００５７】
なお、上記実施の形態における各素子の接続関係、配置などは、発明の趣旨を変更しない限りにおいて変更可能である。例えば、上記実施の形態では、演算部や補正部などが電流センサに含まれる構成を例示しているが、これらは電流センサ外部に設けられても良い。また、上記実施の形態では、磁気抵抗効果素子において感度方向に直交する磁界が異なる２つの状態から補正値を算出する構成を例示しているが、３つ以上の状態から補正値を算出する構成としても良い。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施できる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の電流センサは、例えば、電気自動車やハイブリッドカーなどのモータ駆動用電流の大きさを検知するために用いることが可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１ 電流センサ
２ 電流線
１１ 磁気センサ
１１ａ〜１１ｄ 磁気抵抗効果素子
１２ コイル（磁界印加部）
１３ 差動アンプ
１４ 記憶部
１５ 演算部
１６ 補正部
１７ 制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流線を通流する被測定電流からの誘導磁界を検出する磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサと、
前記磁気抵抗効果素子に対しその感度方向に直交する向きの磁界を印加する磁界印加部と、
前記磁気センサの出力からその補正値を算出する演算部と、を備え、
前記演算部は、前記磁界印加部により印加する磁界が異なる少なくとも２つの状態において得られる前記磁気センサの出力から、前記補正値を算出可能に構成されていることを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記磁界印加部により印加する磁界が異なる少なくとも２つの状態は、前記磁界印加部により磁界を印加しない状態、及び前記磁界印加部により所定の磁界を印加する状態であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項３】
前記磁界印加部により印加する磁界が異なる少なくとも２つの状態は、前記磁界印加部により第１の磁界を印加する状態、及び前記磁界印加部により第２の磁界を印加する状態であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記演算部は、前記２つの状態間における前記磁気センサの感度変化率をα、前記２つの状態において得られる前記磁気センサの出力をそれぞれＯ１、Ｏ２として、下記式（３）から前記補正値として用いられるオフセットβを算出可能に構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電流センサ。
（３）
β＝（αＯ１−Ｏ２）／（α−１）
【請求項５】
前記磁気センサの出力から前記補正値を減算して電流センサの出力を算出可能に構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電流センサ。
【請求項１】
電流線を通流する被測定電流からの誘導磁界を検出する磁気抵抗効果素子を備えた磁気センサと、
前記磁気抵抗効果素子に対しその感度方向に直交する向きの磁界を印加する磁界印加部と、
前記磁気センサの出力からその補正値を算出する演算部と、を備え、
前記演算部は、前記磁界印加部により印加する磁界が異なる少なくとも２つの状態において得られる前記磁気センサの出力から、前記補正値を算出可能に構成されていることを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記磁界印加部により印加する磁界が異なる少なくとも２つの状態は、前記磁界印加部により磁界を印加しない状態、及び前記磁界印加部により所定の磁界を印加する状態であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項３】
前記磁界印加部により印加する磁界が異なる少なくとも２つの状態は、前記磁界印加部により第１の磁界を印加する状態、及び前記磁界印加部により第２の磁界を印加する状態であることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記演算部は、前記２つの状態間における前記磁気センサの感度変化率をα、前記２つの状態において得られる前記磁気センサの出力をそれぞれＯ１、Ｏ２として、下記式（３）から前記補正値として用いられるオフセットβを算出可能に構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電流センサ。
（３）
β＝（αＯ１−Ｏ２）／（α−１）
【請求項５】
前記磁気センサの出力から前記補正値を減算して電流センサの出力を算出可能に構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電流センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−７２８４９（Ｐ２０１３−７２８４９Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１４３７１（Ｐ２０１１−２１４３７１）
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（３１００１４３２２）アルプス・グリーンデバイス株式会社 (47)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（３１００１４３２２）アルプス・グリーンデバイス株式会社 (47)
【Ｆターム（参考）】
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